高速铁路行车低碳环保效应分析

周新军

（中国铁道科学研究院 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

0 引言

交通运输在给人类的经济社会带来巨大推动作用以及为人们的出行提供极大方便的同时，也带来了日益严重的能源和环境问题。很多国家已把调整和优化交通运输结构作为发展低碳经济的一项重要内容，其中欧盟国家表现得更为突出，其做法就是积极发展能耗低、污染轻的交通运输方式，如铁路和水运。而在铁路的发展方向上，重点是发展高速铁路［1］。

我国从“十五”期末以来，铁路建设进入快速发展阶段，尤其是高速铁路成为发展的重中之重。高速铁路不仅在缓解我国铁路运能紧张、方便民众出行以及拉动区域经济发展方面发挥了重大作用，而且在低碳环保领域也产生了积极和可观的效应。由于现有的文献很少将高速铁路行车与普通铁路行车进行比较研究，为了改进研究上的不足，本文重点对高速铁路行车与普通铁路行车的低碳效应进行比较，在此基础上分析高速铁路行车在低碳环保领域的优势。

1 高速铁路行车与普通铁路行车的低碳效应比较

“低碳”的内涵主要包括低能耗、低排放、低污染3个方面。绝大多数的研究结论已经证明，在与其他运输方式的比较中，铁路的节能优势非常明显。当然，也存在个别不完全一致的结论，即认为水运比铁路节能，但近年来最新的研究成果证明了铁路的节能效果要比水运好很多［2］。由此可以延伸的结论是，铁路的碳排放比较低，对环境的污染程度也比较轻。

在旅客运输中，各种交通工具的每人每公里的一氧化碳换算排放量为：公路为0.902kg，铁路为0.109kg，公路是铁路的8倍［3］。铁路的噪声污染是最低的，日本以航空运输每千人每公里产生的噪声为1，则小轿车为1，大轿车为0.2，高速铁路列车仅为0.1。高速铁路基本上消除了粉尘、油烟和其他废气污染，噪声比高速公路低5～10dB。一架喷气式客机平均每小时排放二氧化碳为46.8kg、一氧化碳为635kg、二氧化硫为15kg，这些物质在大气中要停留2年以上，是造成大面积酸雨、植被生态遭到破坏和建筑物遭受侵蚀的主要原因。因此，可以说在综合运输体系中，铁路是理想的绿色环保型交通。

1.1 从技术角度比较

根据日本近年来的统计［4］，平均每人每公里的能耗，高速铁路列车为569kJ，普通铁路列车为401kJ，高速公路（公共汽车）为582kJ，飞机为2 989kJ。如果设定普通铁路列车每人每公里的能耗为1.0，则高速铁路列车为1.42，公共汽车为1.45，小轿车为8.5，飞机为7.44。比较高速铁路列车与普通铁路列车，显然，前者单耗要高于后者，大约高出41.7%。据国内关于高速铁路动车组耗能的最新介绍［5］，京广高铁上CRH380A（L）以时速300km运行时，人均百公里能耗仅为3.64kWh，相当于客运飞机的1／12、小轿车的1／8、大型客车的1／3，但缺乏与普通铁路列车的比较。

综合现有的研究文献表明，高速铁路列车的单耗要高于普通铁路列车。但是如果仅以单耗来评判高速铁路与普通铁路行车的低碳效果，得出的结论则缺乏全面性和客观性。比如，步行和骑自行车是最节能和环保的出行方式，但与其他出行方式相比，显然牺牲了效率。因此，只能有条件地提倡，而不能大范围地引导。衡量一种运输方式是否低碳，比较科学的方法是，在单耗的基础上引入运输效率、速度和时间等因素进行综合比较分析。

为便于计算，假设普通铁路的列车平均时速为100km／h，高速铁路列车（动车组）平均时速为300km／h。两条线路坡度相同，且均为直线。两列车同时从同一车站出发，均为直达列车，即中间不停车，到达同一车站，两站之间的距离为300km。按照这种假设，动车组3h大致可完成3个车次的运输任务，而普通列车只能完成1个车次。如果两车均按照最大定员运输，动车组为600人左右，在两车重联的情况下最大定员为1 200人左右。普通列车最大定员为1 300人左右。那么，在3h范围内，动车组完成3 600人左右的运输，而普通列车只能完成1 300人左右的运输，动车组运输工作量差不多是普通列车的3倍。当然，就能耗而言，动车组也是普通列车的3倍多。这个案例说明，如果以工作效率优化为前提，那么多消耗一些能源就是必须的，尤其是在使用清洁能源的情形下应该鼓励多消耗。或者说，在提高能效的情况下，多消耗一些能源也是必须付出的代价。

1.2 能耗比较

如果这种观点成立的话，就需要对高速铁路列车和飞机的能耗进行比较。作为陆上和空中最快的交通运输工具，高速铁路列车和飞机具有可比性。

假设在1 000km内，两者从相同城市前往同一地点。高速铁路列车大约需要3h，那么，飞机在同一时间内可以往返一次。前述动车组最大运输量为1 200人。如果飞机最大载客量为300人，往返一次总计为600人。那么，飞机运输量只有动车组的1／2，而能耗却为动车组的6倍，而且消耗的还是石油资源。显然，无论是从效率、能耗，还是能耗品类来看，高速铁路列车比飞机既节能环保又经济高效。

另外，随着高速铁路列车技术的不断进步，节能效果也在不断地得到提升。国外的一些研究数据也证明了这一点。日本铁路出版物有关新干线的能源强度数值表明［6］，第一条新干线（零系列）要求每公里0.072kWh／座位，最高时速为220km／h。然而近期的希望号700N要求，在时速为220km／h达到每公里0.037kWh／座位，在时速为270km／h达到每公里0.049kWh／座位。因此，新干线的能源强度下降了，近期的希望号700N在拥有比原新干线更高的速度的同时，只使用了50%的能源，在提高22%的速度时，能源减少了32%。

1.3 碳排放比较

与普通铁路行车相比，高速铁路的最大优势是实现了全部使用电力牵引。尽管从技术角度看，普通铁路也可以做到这一点，但是从经济角度以及速度与动力最佳匹配的角度就会造成资源上的过度浪费。因此，从全世界的普通铁路看，几乎还没有一个国家能够做到全部使用电力牵引［7］。那么，普通铁路就存在内燃机车牵引的情况，而燃油的使用就会产生大量的碳排放。在牵引动力结构中，内燃机车占比越高，碳排放也就越大。而高速铁路由于使用电力牵引，列车在行驶过程中不产生直接的碳排放。

有一种观点认为，如果从碳足迹生命周期理论来分析，用电是否产生碳排放，取决于电源结构。如果是火电，那么电能消费同样也产生碳排放，如果是清洁能源如风电等则不产生碳排放。这种观点虽有一定的道理，但很大程度上不正确。按照碳排放足迹生命周期理论，碳排放也只是涉及煤炭采掘、运输及发电这三个环节［8］。由于世界高速铁路运输主要涉及客运，因此，即便从碳排放生命周期理论来分析，高速铁路列车的运营基本上也不产生碳排放。

而普通铁路则不同。根据查阅到的数据，全世界所有铁路的电气化率平均比较低，截止到2000年底只有21.7%。如果剔除高速铁路部分，普通铁路的电气化率还要低一些，由此可以判断普通铁路大部分仍然采用内燃机牵引。由于它使用的是燃油，因此，无论是否依据碳排放生命周期理论，比起高速铁路列车碳排放量要大很多，环保效应也要差很多。

以我国铁路2006年电力机车和内燃机车单耗来测算（以下数据都折合为标煤），比较两者的碳排放。内燃机车单耗为34.7kg（按《综合能耗统计通则》GB／T2589—2008中的燃油系数1.428 6换算），共排放CO2为34.1kg；电力机车单耗为13.5kg（按0.985系数换算），共排放CO2为14.2kg（按1.052 3系数换算）。那么，内燃机车单耗比电力机车单耗多排放CO2为20kg。高速铁路动车组单耗要高出普通电力机车40%，以此换算动车组的单耗CO2排放为19.9kg，比内燃机车少排放CO2为14.2kg。从中可以看出，即便在这种情形下，高速铁路列车也比普通铁路列车内燃机牵引节能减排。

1.4 环保效应比较

上述分析说明，高速铁路列车基本上不排放CO2，从这个角度来看，环保效应要大大好于普通铁路列车。另外，还需要考虑列车噪声和排污对环境的影响。事实上高速铁路列车对环境仍然具有一定的污染，主要是噪声污染，高速铁路列车比普通铁路列车噪声污染程度要高一些。但随着科研技术的不断提高，各国在高速铁路建设中加强了对环保技术的开发和应用。比如，运用声屏障技术对高速列车的噪声进行隔离处理，最大程度地减轻对沿线居民的噪声污染。而且由于速度的优势，使得噪声在某一时空范围的污染程度比普通铁路列车大为降低［9］。

在污染物排放方面，高速铁路列车相比普通铁路列车，优势也非常明显。由于高速动车组列车全部安装了真空式集便装置，实现了污物、污水集中收集和垃圾零排放。通过这些措施，收到了很好的环保效应。当然，普通铁路列车也可以通过技术的提高，改善污染物的排放，但由于技术和运输组织的限制，提升的空间不会很大。

2 高速铁路行车低碳环保效应分析

虽然高速铁路在我国获得了快速发展，但起步较晚，2008年8月，我国第一条真正意义上的高速铁路京津城际铁路才开通运营。因此，本文选取2008年至2012年间的数据来分析高速铁路与铁路行业节能环保的相关性。高速铁路取值为运营里程，国家铁路节能指标为运输工作量综合单耗、运输工作量主营单耗，环保指标值为化学需氧量排放量、二氧化硫排放量，具体数据如表1所示。

表1 高速铁路运营里程、铁路列车单耗及排放量1）

从表1可以看出，高速铁路行车与单位能耗及排放量成反向关系，从另一个角度来说，高速铁路与铁路运输节能环保效果成正向关系。

3 高速铁路优化了铁路能耗结构

高速铁路由于实现了电力牵引，因此，高速铁路的发展必然会带来铁路电气化比重的快速提高。而且，由于高速铁路列车的发车间隔时间短、车次密度大，极大地提高了动车组的使用效率，增加了用电量，从而对内燃机车和燃油的使用产生一定的挤出效应。这两方面的因素叠加在一起使铁路的能耗结构在短期内得到了大大改善和优化。

3.1 铁路电气化率快速提升

近几年，我国铁路电气化率有了较大幅度的提升。2012年我国铁路电气化已经突破50%，达到了52.3%。在这个过程中，高速铁路起到了关键性的作用，截止到2012年底，新建的高铁运营里程达到9 354km，居世界第一。2001～2012年电气化铁路运营里程变化如表2所示。

表2 2001～2012年电气化铁路里程变化1）

由表2显示，从2011年到2012年我国铁路营业里程新增了5 000km，而电气化铁路刚好也增加了5 000km，这说明新增的铁路全部为电气化铁路。2012年高速铁路投入运营里程为2 723km，对铁路电气化贡献率为54.5%。

3.2 高速铁路“以电代油”优化了能耗结构

高速铁路的快速发展，加快了铁路行车“以电代油”电气化工程，从而使铁路的能耗结构发生了比较大的变化，油耗呈下降趋势，电耗则呈上升趋势。促使这种变动的因素有多方面，但根本原因在于高速铁路的快速发展。这也是铁路特别是高速铁路具有的技术优势，其他任何交通方式都很难做到这一点。

4 高速铁路的低碳替代效应

高速铁路的低碳替代效应指的是由于高速铁路的发展，从而对其他的运输方式产生一定的挤出效应，进而形成低碳替代效应。在所有的运输方式中，高速公路和航空运输与高速铁路具有可比性。由于高速铁路的发展，对民航已经形成竞争，一些中短途民航线路被迫调整或者取消。而在高速公路中，一些中长途运输被高速铁路所替代。比较而言，高速铁路与民航的竞争最具有代表性。下面以它们之间的比较，来说明高速铁路对民航形成的低碳效应。

4.1 假设及模型

假设高速铁路与民航共同完成中长途客运任务，那么在理论上高速铁路对民航运输的替代存在三种情形：一是结构性替代；二是增量替代；三是完全替代。实际生活中，增量替代和完全替代的情况一般是不存在的。

根据碳排放的计算，可得到高速铁路与民航的碳排放表达式为：

式中：Ch为高速铁路碳排放量；Sh为高速铁路运输工作量；Euh为单位运输工作量能耗（标准煤）；r为能耗的碳排放系数。

式中：Ca为民航碳排放量；Sa为民航运输工作量；Eua为民航单位运输工作量能耗（标准煤）；r为能耗的碳排放系数。

那么，高速铁路对民航低碳替代效应表达式为：

式中：Xh→a为高速铁路对民航运输的碳排放替代效应；Sh→a为高速铁路对民航运输替代工作量。

从式3可以看出，Sh→a越大，高速铁路对民航的低碳效应越显著。

4.2 算法举例

由于在铁路旅客周转量中，目前还没有对高速铁路旅客周转量进行单独核算，因此，还不能精确计算高速铁路运输工作量，但可以进行粗算，即按照春运期间高铁占整个铁路旅客发送量的20%来计算。这里同样取2008年至2012年的数据。可以粗略地认为，高铁旅客是从民航转移过来的（一部分是增量，一部分是原来的），因而可以把高铁旅客发送量视为对民航的替代量。能耗的碳排放系数r取国家发改委推荐的换算数值2.456 7，Euh和Eua分别取文献［4］中推荐的569kJ和2 989kJ。1kg标准煤按29 288kJ计。通过计算得到表3中数据。

表3 高速铁路对民航的低碳替代效应1）

从表3可以看出，高速铁路可以节约1 284.6万t以上的标准煤，少排放3 155.8万t以上的二氧化碳，彰显了高速铁路巨大的低碳效应。

5 结论

通过引入能效等因素的比较，可以看出高速铁路列车虽然能耗要高于普通铁路列车，但却实现了能效、环保与运输能力的有机整合，在与其他运输方式的比较中，使得普通铁路原有的节能环保优势得到了进一步释放，既满足了现代社会人们出行的需求，又符合了人类生存环境的要求，实现了运输与资源的可持续发展。这从另一个角度表明，在提高能效和消耗清洁能源的情形下，即便能耗高一些，也是一种值得付出的代价。

当今发达国家对新一代交通工具选择的着眼点瞄向了对环境影响小的运输方式，高速铁路备受关注，已成为世界铁路发展的根本方向，并成为发达国家尤其是那些饱受道路交通之苦的国家调整交通运输结构的政策取向。由于这些国家的交通规模已接近饱和或者说过剩，因此，调整的难度会非常大。我国交通运输正处于快速发展之中，各种运输方式竞相发展，在这个过程中需要吸取西方发达国家的教训，及时确立起以优先发展铁路尤其是高速铁路为导向的综合交通运输协调发展的方式，才能避免西方发达国家交通运输业“先发展、后污染”的以道路运输为主的发展模式，这对于构建低碳交通体系、推动低碳经济发展具有重要的现实意义和长远的战略意义。

［1］周新军.欧盟低碳交通战略及启示［J］.中外能源，2012（11）：6－14.

［2］周新军.我国铁路能源消耗和节能现状［J］.中外能源，2009（3）：87－92.

［3］李向国.高速铁路技术［M］.北京：中国铁道出版社，2005.

［4］宁滨.高铁：时代价值和战略选择［N］.第一财经日报，2010－11－25.

［5］刘成.京广高铁能耗只相当于飞机的十二分之一［N］.经济日报，2012－12－27.

［6］涂海.以美国交通为例分析高速铁路二氧化碳减排潜力［J］.科技视界，2009（9）：6－12.

［7］冯金柱.世界电气化铁路的发展［J］.电气化铁道，2001（4）：1－7.

［8］夏德建，任玉珑，史乐峰.中国煤电能源链的生命周期碳排放系数计量［J］.统计研究，2010（8）：82－89.

［9］周新军.高速铁路助推中国低碳经济效应［J］.中国科学院院刊，2011（6）：452－461.